Ник Лэйн - Кислород. Молекула, изменившая мир

Таким образом, по-видимому, первые клетки возникли в бескислородной атмосфере и должны были производить энергию без помощи кислорода. Это кажется разумным предположением. Вспомним, что в конце XIX в. Луи Пастер называл брожение «бескислородной жизнью» и дальнейшие исследования подтвердили его правоту. Поскольку дрожжи и многие другие одноклеточные организмы используют брожение для получения энергии и имеют простую структуру, легко предположить, что они являются реликтами древнейшей жизни. Эти одноклеточные существа должны были жить за счет сбраживания растворенных в океане органических соединений, пока их не вытеснили первые фотосинтезирующие бактерии — цианобактерии (которые раньше поэтично, но неграмотно называли сине-зелеными водорослями).

Цианобактерии научились использовать для своих целей энергию Солнца. Это крошечные существа, но за миллиарды лет несчетное множество цианобактерий (в капле воды содержится несколько миллиардов таких клеток) незаметно наполнило воздух ядовитым кислородом. Сначала кислород взаимодействовал с растворенными в океане минеральными солями или продуктами эрозии наземных гор. На протяжении сотен миллионов лет этот гигантский природный ресурс служил буфером, поглощавшим свободный кислород.Однако в конечном итоге емкость буфера была исчерпана. И тогда внезапно (по геологической временной шкале) атмосфера и океан заполнились кислородом. Результат оказался ужасным — «кислородный холокост». Вот что писала в 1986 г. профессор Линн Маргулис из Университета Массачусетса:

«Это величайший из всех пережитых Землей кризисов. Многие виды микробов мгновенно исчезли. Микробы не имели защиты от такого бедствия, кроме стандартного способов репарации и удвоения ДНК, переноса генов и мутаций. В результате множества смертей и усиления половой активности, характерной для бактерий в токсичной среде, произошла перестройка сверхорганизма, который мы называем микрокосмом. Стали появляться новые устойчивые бактерии, которые быстро заняли место чувствительных к кислороду бактерий на поверхности Земли, а выжившие переселились в анаэробные слои ила и почвы. Этот „холокост“, сравнимый с ядерной катастрофой, которая пугает нас сегодня, перерос в самую невероятную и важную революцию в истории жизни».

В соответствии с данной точкой зрения успешность нового мира объясняется не только способностью микроорганизмов противостоять токсичности кислорода, но и удивительной модификацией, в результате которой клетки стали зависеть от того самого вещества, служившего для них смертельным ядом. Обитатели этого славного нового мира стали получать энергию с помощью кислорода.

Далее, как утверждает старая теория, из-за нашей зависимости от кислорода мы забываем, что этот газ токсичен и напрямую связан со старением и смертью, не говоря уже о том, что представляет серьезную пожарную опасность. По ходу эволюции реакционная способность кислорода влияла на его накопление в атмосфере. Нам говорят, что ко времени расцвета многоклеточных форм жизни, примерно 550 млн лет назад, уровень кислорода в атмосфере достиг 21%; установилось природное равновесие. Если концентрация кислорода повышается слишком сильно, его токсичное действие начинает подавлять развитие растений. В результате снижается объем кислорода, образующегося в процессе фотосинтеза. Нам говорят, что при содержании кислорода выше 25% даже в дождевых лесах могут возникать обширные пожары. Напротив, если уровень кислорода опускается ниже 15%, животные начинают задыхаться и не горят даже сухие веточки. Судя по анализу ископаемого древесного угля в осадочных породах, на протяжении 350 млн лет на Земле непрерывно бушевали свирепые пожары. Это означает, что уровень кислорода никогда не опускался ниже 15%. Таким образом, со времен возникновения современных растений и животных биосфера сама регулирует уровень кислорода в атмосфере.

Именно такой истории учили меня, и многие из этих идей до сих пор популярны, во всяком случае не подвергаются сомнению. И хотя доказательств их справедливости не так уж много, звучат он более ли менее убедительно. Суммируем сказанное: жизнь возникла в первичном бульоне в результате химической реакции между атмосферными газами — метаном, аммиаком и водородом. Первые клетки сбраживали этот бульон, пока их место не заняли цианобактерии, использовавшие солнечную энергию и осуществлявшие фотосинтез, в результате которого в атмосферу выделялся ядовитый кислород. Этот активный газ окислял горы и океаны и в конечном итоге стал накапливаться в атмосфере, вызывая массовую гибель организмов — «кислородный холокост». Из золы возник новый мировой порядок, зависевший от того самого газа, который уничтожил бóльшую часть клеток-предшественников. Обитатели этого нового мира получали энергию с помощью кислорода. Токсичность и реакционная способность кислорода заставляют биосферу поддерживать его содержание на уровне 21%.

Эта история настолько прочно закрепилась в моем сознании, что я был страшно возмущен, когда услышал по телевизору, что во время каменноугольного периода — примерно 300 млн лет назад — уровень кислорода поднимался до 35%. «Это невозможно! — подумал я. — Все бы сгорело! Растения не могли бы расти!» И я был не одинок в своем возмущении. Хотя эту идею выдвигали серьезные геохимики мирового уровня, поначалу ее осмеивало большинство биологов и геологов. И только когда я начал серьезно изучать этот вопрос, я убедился в правоте ревизионистов. Многие детали все еще остаются спорными, и многих элементов недостает, но одно могу сказать точно: за последние 20 лет мы вышли из царства «геопоэзии» и вошли в эпохи молекулярных доказательств, определяющих новые модели глобальных изменений. Я считаю новые доказательства достаточно убедительными, даже если современная версия событий сталкивается с проблемой кислородной токсичности и иногда противоречит интуиции.

Прежде чем проанализировать эти доказательства и их связь с нашей современной жизнью, мы должны переориентироваться в новой действительности. Почти все перечисленные выше тезисы были пересмотрены. Новая версия событий гласит, что жизнь вовсе не зародилась из первичного бульона, а возникла в горячих серных источниках, называемых черными курильщиками, расположенных в подводных срединных океанических хребтах [8] В новой книге The Vital Question Ник Лэйн утверждает, что жизнь зародилась не в черных курильщиках, а в щелочных гидротермальных источниках. — Примеч. пер. . Парадоксально, но последний общий предок всех форм жизни, ласково называемый LUCA (Last Universal Common Ancestor), по-видимому, использовал для дыхания следовые количества кислорода еще до того, как его потомки обучились фотосинтезу. Оказывается, первые клетки не зависели от брожения, а умели извлекать энергию из самых разных неорганических элементов и соединений, включая нитрат, нитрит, сульфат и сульфит, а также кислород. В таком случае LUCA умел защищаться от кислорода еще до того, как свободный кислород появился в воздухе. Скорее всего, потомки этой клетки, такие как цианобактерии, тоже имели защиту от побочного продукта собственной жизнедеятельности и поэтому не пострадали от «кислородного холокоста».